Дисбаланс питательных веществ в почве и снижение микробного разнообразия угрожают долгосрочной устойчивости растениеводства в условиях интенсивного сельского хозяйства. Органические удобрения являются многообещающим средством для улучшения взаимодействия почвы, микробов и растений, однако совокупное влияние типа удобрения и нормы внесения на функцию почвы и продуктивность сельскохозяйственных культур остается недостаточно изученным. В новой работе ученые из Китая уделили внимание тепличным помидорам как одной из самых популярных мировых культур.
Томат является всемирно важной культурой, имеющей существенное экономическое значение как на свежих рынках, так и в перерабатывающей промышленности. В Китае его производство все больше концентрируется в тепличных системах, где передовые солнечные тепличные технологии позволяют точно контролировать свет, температуру и влажность, тем самым улучшая урожайность и качество плодов.
Однако интенсивное тепличное земледелие по-прежнему сталкивается с постоянными проблемами, включая давление болезней и снижение эффективности использования ресурсов.
Чрезмерная зависимость от химических удобрений все больше усугубляет деградацию почвы, дисбаланс питательных веществ и снижение микробной активности, в конечном итоге угрожает устойчивости высокозатратных сельскохозяйственных систем. Эти проблемы подчеркивают настоятельную необходимость разработки стратегий удобрения, которые могут поддерживать плодородие почвы, улучшать микробную функцию и поддерживать стабильную урожайность сельскохозяйственных культур в интенсивных тепличных условиях.
Органические удобрения, полученные из возобновляемых биологических материалов, стали важными инструментами в переходе к устойчивому сельскому хозяйству. Их многофункциональные преимущества — повышение плодородия почвы, улучшение структуры, увеличение содержания органического вещества и стимуляция микробной активности — позиционируют их как экологически безопасные альтернативы химическим удобрениям.
Разумное применение органических удобрений будет способствовать долгосрочному высвобождению питательных веществ, стимулировать микробный круговорот питательных веществ и повышать продуктивность и устойчивость сельскохозяйственных культур. Однако такие ограничения, как различное качество, относительно высокие затраты и непостоянные полевые характеристики, препятствуют их более широкому внедрению в высокоэффективные системы защищенного земледелия. Кроме того, современные исследования часто фокусируются на отдельных типах удобрений или конкретных нормах внесения, при этом отсутствует систематическое сравнение различных органических удобрений и их интерактивного воздействия на континуум почва–микроб–растение.
Микробные сообщества почвы играют ключевую роль в динамике питательных веществ, здоровье почвы и продуктивности растений. Удобрение влияет не только на физико-химические свойства почвы, но и на структуру и функции микроорганизмов, опосредуя доступность питательных веществ и рост растений посредством обратных связей между подземными и надземными системами. В свою очередь, корни растений выделяют метаболиты, которые формируют состав микробного сообщества, формируя тесно связанную трёхкомпонентную систему взаимодействий почва–микроб–растение. Понимание механизмов, посредством которых органические удобрения модулируют эту сложную систему, необходимо для разработки оптимизированных стратегий управления питательными веществами.
В данной работе ученые из Сельскохозяйственного университета Внутренней Монголии в сотрудничестве с коллегами из других научных учреждений решили определить, как три типа органических удобрений — биоорганическое удобрение (BOF), удобрение на основе костной муки (BMF) и удобрение на основе костного кальция (BCF), вносимые в дозах 7500, 15 000, 30 000 и 45 000 кг на гектар— влияют на продуктивность растений (рост, урожайность, качество плодов) наряду с сопутствующими изменениями физико-химических свойств почвы и микробиома ризосферы (альфа-разнообразие и состав сообщества). В эксперименте участвовал индетерминантный томат «Джинуобили» («Jinuobili») с отдельными плодами весом более 250 г.
Биологическое органическое удобрение (BOF) представляло собой порошкообразный носитель, инокулированный полезным микробным консорциумом — смешанной культурой функциональных микробов, включая фотосинтезирующие бактерии, молочнокислые бактерии и дрожжи; эффективные жизнеспособные бактерии ≥ 0,2 млрд/г, органическое вещество ≥ 65% и общее содержание питательных веществ ≥ 8,0% (сухая масса N 3,5%, P2O5 3,0 % , K2O 1,5 %; всего 8,0%).
Удобрение на основе костного кальция (BCF) в данном случае субстрат из костного порошка с высоким содержанием кальция, ферментированный микроорганизмами, содержащий органические вещества ≥ 45% и общее количество питательных веществ (N + P2O5 + K2O ) ≥ 5,0% (сухое вещество N 1,2%, P2O5 3,0 % , K2O 0,8%; всего 5,0%).
Органическое удобрение на основе костной муки (BMF): ферментированная органическая добавка, полученная из остатков костей скота и побочных продуктов переработки, богатая влагой и органическими веществами, с содержанием органических веществ ≥ 30% и общим содержанием питательных веществ (N + P2O5 + K2O ) ≥ 4,0% (сухое вещество N 1,0%, P2O5 2,2 % , K2O 0,8 %; всего 4,0%). Этот материал отличается от костной муки, так как он обрабатывается с помощью контролируемой микробной ферментации для обеспечения безопасности и стабильности питательных веществ перед использованием. Все органические удобрения были произведены компанией Inner Mongolia Dongbao Datian Biotechnology Co., Ltd., Китай.
Дополнительно исследователи изучили связи между почвой и микробами, используя анализ сетей совместной встречаемости и тесты Мантеля, а также оценили косвенные пути, связывающие удобрение, почвенные и микробные характеристики с продуктивностью сельскохозяйственных культур, с помощью моделирования методом наименьших квадратов (PLS-PM) для определения агрономически оптимальных диапазонов внесения в условиях теплицы. Основываясь на ранее полученных данных, исследователи выдвинули гипотезу, что тип и норма внесения удобрений связаны с изменениями в состоянии почвенных ресурсов и разнообразии/структуре микробов ризосферы, что, в свою очередь, связано с вариабельностью фотосинтетических характеристик и урожайности.
Самая высокая испытанная норма внесения BOF (45 000 кг на га) значительно увеличила чистый фотосинтез на 29,5%, устьичную проводимость на 50,0% и урожайность плодов на 40,8% (получили 8,2 кг на растение) по сравнению с неудобренным контролем. Она также увеличила содержание органического вещества почвы на 42,6% и общего азота на 82,0%, одновременно увеличив относительное обилие протеобактерий, типа, тесно связанного с круговоротом питательных веществ и стимуляцией роста растений.
На уровне филума доминирующими бактериальными таксонами во всех группах обработки были Proteobacteria, Acidobacteriota, Bacteroidota и Actinobacteriota, которые широко признаны основными микробными компонентами, участвующими в круговороте питательных веществ почвы и обороте органического вещества.
Примечательно, что внесение высокой дозы BOF значительно увеличило численность Proteobacteria, при этом ее относительное обилие достигло 48,0% в обработке BOF4 по сравнению с 33,9% в неудобренном контроле. Это представляет собой существенное увеличение, предполагающее, что BOF способствует пролиферации копиотрофных и функционально полезных таксонов. Аналогичным образом, обработки BMF4 и BOF3 также привели к относительно более высокой численности Proteobacteria, достигнув 45,9% и 44,9% соответственно, что еще раз подчеркивает зависящие от удобрения сдвиги в составе микробного сообщества.
Моделирование сетей и путей показало, что изменения в микробном разнообразии были положительно связаны с улучшенными свойствами почвы, которые впоследствии были связаны с более высокой эффективностью фотосинтеза и формированием урожая, что предполагает потенциальный микробиом-опосредованный путь от удобрения к продуктивности. Эти эффекты были статистически согласованы по всем измеряемым конечным точкам. Результаты подчеркивают, что оптимизация как типа, так и нормы органического удобрения, особенно биоорганического удобрения в условиях теплицы, может одновременно улучшить плодородие почвы, микробную функцию и урожайность культур.
Для бедных азотом, но богатых фосфором/калием почв, подобных той супеси, что была в исследовании, общие органические внесения удобрений BOF в размере 30 000–45 000 кг на га оказались благоприятными; однако ученые рекомендуют управление на основе почвенных тестов и предостерегают от экстраполяции на системы с другой текстурой, содержанием питательных веществ или исходными показателями минеральных удобрений.
Подробнее ознакомиться со статьей «Влияние типа и нормы внесения органических удобрений на взаимодействие почвы и микроорганизмов, урожайность и качество тепличных томатов» вы можете по ссылке.
Источник: Plants 2025, doi.org/10.3390/plants14213333